Ông sinh tại San Francisco, California, tốt nghiệp trường Germantown Friends School ở Philadelphia năm 1937. Ông học Vật lý học ở Dartmouth College, đậu bằng cử nhân năm 1941 sau đó sang học ở Đại học California tại Berkeley. Ông được giữ ở lại trường cho tới dầu Thế chiến thứ hai, rồi gia nhập Dự án Manhattan năm 1942, làm việc chung với Segrè, vừa ở Berkeley vừa ở Los Alamos, New Mexico. Năm 1946, sau chiến tranh, Chamberlain tiếp tục học tiến sĩ ở Đại học Chicago dưới sự hướng dẫn của nhà vật lý học nổi tiếng Enrico Fermi. Fermi đã khuyến khích Chamberlain bỏ ngành Vật lý lý thuyết để chuyển sang nghiên cứu Vật lý ứng dụng. Chamberlain đậu bằng tiến sĩ ở Đại học Chicago năm 1949.

Năm 1948, sau khi đã hoàn tất công trình thực nghiệm, Chamberlain trở lại Đại học California tại Berkeley để giảng dạy. Tại đây, ông cùng với Segrè và các nhà vật lý học khác đã nghiên cứu việc phát tán proton-proton. Năm 1955, một loạt thí nghiệm phát tán proton đã dẫn tới việc khám phá ra hạt phản proton, một hạt giống hệt proton nhưng mang điện tích âm.

Sau đó Chamberlain nghiên cứu ở time projection chamber (TPC)[1].và ở Stanford Linear Accelerator Center (SLAC)[2].